“计算模拟&在线讲座”群免费在线系列讲座 第2讲日期:2018-02-01 11:46:48 阅读:

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开讲时间:2018年2月5日15:00-16:00
 

第2讲 物理力学简介
一、定义:
“物理力学”是力学的一个新分支,它从物质的微观结构及其运动规律出发,运用近代物理学、物理化学和量子化学等学科的成就(例如原子分子物理和统计力学等研究方法),通过解析推演和数值计算模拟,阐明介质和材料的宏观特性,并对介质和材料的宏观现象及其运动规律给出微观理论的解释。目前国外(美国)的人们亦称之为“物性力学(PhysicoMechanics)”、“理性理学(Rational Mechanics)”。
该学科的开创者:钱学森。创始时间:1940年代。
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二、学科的产生背景:
在20世纪50年代,出现了一些在极端条件下的工程技术问题,所涉及的温度高达几千度到几百万度;压力达到几万到几百万个大气压;应变率达到每秒从百万分之一到亿分之一的变化等情况。在这样的条件下,介质和材料的物理化学性质很难用实验方法来直接测定。为了减少耗时费钱的实验工作,需要通过微观领域的分析方法来阐明介质和材料的宏观的物理化学性质。
具体地讲,解决实际工程问题的力学方式:首先依据实验事实来建立起常(偏)微分方程组,以及与之相应的初始和边界条件;继而求解此方程组,并将它们的产出与实际工程中的结果相比较。通过反复的核实与修正,最终建立起适合于描述实际工程问题的常(偏)方程组 —— 适合于宏观尺度的问题,属于应用数学的范畴。近代物理学的研究方法:从物质的微观电子、原子和分子尺度出发,采用量子理论和统计力学等方法,将物质的宏观特性以“理性”的方式描绘出来 —— 适用于由微观尺度跨越到宏观尺度(纳米级尺度)的问题。
 
特别是在一些工程实践中,(1)出现了宏观介质的特征尺度与微观结构的特征尺度可比拟的情况(例如稠密流体),因而必须从微观结构的角度出发来分析处理材料介质的宏观问题;(2)出现了一些远离平衡态的力学问题(例如爆轰现象),必须从微观的角度出发来解释耗散过程中的高阶项;(3)随着对材料的一些新特性的需求,以及大批新型材料的涌现(例如纳米材料和生物材料等),要求人们寻找一种可靠的微观理论,以此来设计具有特殊性能材料的“配方”,或者能够预测新型材料的力学性能的计算方法。

三、学科的方法论:
(1)物理力学是建立在近代物理和近代化学的成就上(量子物理和量子化学等方法),它运用这些成就而建立起物质宏观性质的微观描述理论,这是物理力学建立的主导思想和根本目的;(2)物理力学注重运算手段,要求做彻底的数值计算,即要求采用高效率的运算方法和现代化的电子运算工具(例如大型的电子计算机工作站等设备)。因此,物理力学属于应用科学(工程科学)的范畴。
伴随着“物理力学”的发展,历史上一些新颖的理论也在不断地涌现:(1)1940年代,蒙特卡罗方法诞生(纽伊曼);(2)1950年代,分子动力学诞生(奥德);(3)1960年代,“纳米机器”概念诞生(费曼)、非平衡统计理论中的“耗散理论”诞生(普利高京)、量子统计理论中的“场论方法”诞生(阿布里克索夫)、密度泛函理论诞生(科恩);(3)1970年代,“重整化群”理论诞生(威尔逊)、半导体技术飞速地发展;(4)1980年代,计算机软、硬件技术的发展;(5)1990年代,超大型计算机和并行算法的诞生;(6)21世纪初叶,人工智能(AI)的诞生 —— 所有这一切,都为人类社会中“材料设计理论”的发展铺垫着基础。

四、学科的主要研究内容:
目前国内“物理力学”的研究工作,主要集中在三个方面:(1)高温气体性质,研究气体在高温下的热力学平衡性质、输运性质、辐射性质以及与各种与动力学过程有关的弛豫现象等;(2)稠密流体性质,主要研究高压气体和各种液体的热力学平衡性质(例如状态方程)、输运性质(例如液体的粘滞系数)以及材料的相变行为等;(3)固体材料的力学与热力学性质,例如利用微观理论来研究材料的宏观弹性、塑性和强度,以及宏观的应力-应变的本构关系,以及材料的热电性等。

五、物理力学的现状:
总之,“物理力学”目前还处在萌芽阶段、还很不成熟,而且也继承着很多有关老学科的内容。但是作为力学的一个新分支,它的确有一些独具的特点,主要表现在:传统地讲,人们只有在进行材料机理分析时感到信息内容不足时,才会求助于新的实验手段来获取新的经验性结果。但是这一“试错(炒菜)”过程往往会费时费力,而且其最终效果也不完全令人满意。“物理力学”着重于分析问题的机理,借助已建立的理论模型来解决一些具体问题。可以起到少走弯路、省时省力的效果。

六、物理力学与其它学科的关系:
“物理力学”与物理学中的“介观物理”在研究领域中有很大的交叠性;它的的研究思想已经分散和渗透到近几十年新兴的一些学科中,例如纳米科技、计算材料学,计算物理化学,计算生物力学等等,这将于它们相辅相成,共同发展。
 
七、参考文献:
《物理力学讲义》 ,钱学森,上海交通大学(2007-08出版)。
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相关网址:
http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/17924?mode=full&submit_simple=Show+full+item+record